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高精度大推力试验模型烧蚀补偿自动送进控制系统

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　　摘要: 采用计算机控制液压传动系统,实现了在电弧加热器上进行模型烧蚀试验过程的实时自动送进补偿,保证了试验模型在稳定的流场状态下烧蚀出一定的外形。实际的运行结果表明,该控制系统控制精度高、稳定性好。控制系统采用了液压伺服机构,在计算机的控制下完成试验模型边烧蚀边送进过程。为保证控制精度要求,系统采用了位置环和压力环相结合的双闭环控制方法。

　　关键词: 试验 PID 液压伺服系统自动控制

　　航天型号研制的需要对地面模型烧蚀试验技术研究提出了很多的技术难题。在电弧加热器中进行模型烧蚀试验时,试验模型随着烧蚀而产生外形变化,导致试验的状态参数发生变化,偏离原设计参数。由于试验模型的外形尺寸、材料结构各不相同,烧蚀率变化非常复杂,简单的送进方式不能满足试验要求。为了保持试验状态的基本稳定,必须采用能够承受大载荷、高热流、自动反馈、精确定位的模型自动送进系统,补偿模型的烧蚀,来实现模型的定常烧蚀。本系统利用计算机控制液压伺服机构,采用试验段压力点平衡控制方法,实现了大推力、高精度的模型实时送进补偿控制,成功地解决了在电弧加热器模型烧蚀试验中边烧蚀边送进的问题。

1 系统工作原理

　　本系统采用压力平衡法。在模型烧蚀试验过程中,实时采集试验段气流混合室的压力参数,与给定的控制压力值进行比较,通过动态调整试验模型位置,从而保持气流出口喉道大小不变,达到稳定气流混合室压力参数的目的。送进控制系统工作原理图如图1所示。

　　系统由液压伺服机构、送进支架、计算机实时采集和控制等部分组成,整体设计采用双闭环控制。模型送进控制系统的技术指标如下:

　　.最大轴向推力=7500kg .系统响应时间<0.01s

　　.最大送进行程=150mm .送进定位精度<0.2mm

.最大送进速度=0.017m/s .轴向对称精度<0.5mm

.定位零点、最大送进量、送进步长、响应时间、控制精度可调。

为了快速、准确地对压力参数的变化作出反应,采用计算机直接数字控制(Direct Digital Control)方法。

2 系统硬件组成

2.1 液压伺服机构

液压伺服机构是用来精确控制模型位移的执行机构,它由伺服油源、控制放大器、伺服阀、油缸以及位移传感器等部件构成。

　　伺服机构的设计具有如下特点:

　　(1)将所有液压附件如蓄能器、电磁换向阀等都安装在油箱上,结构紧凑、安全可靠、维修方便。

　　(2)所选用的过滤器都带有压差报警装置,当过滤器滤芯堵塞时,能发出信号,防止事故出现。

　　(3)伺服阀直接安装在伺服油缸上,缩短了伺服阀与油缸的管道长度,减少了控制容积,这样就增加了系统的频宽,提高了响应速度。

　　(4)采用差动变压器式位移传感器,精度为0.2%,比系统要求精度高一个数量级,这就有效地保证了系统的控制精度。

　　其中,伺服放大器直接驱动伺服阀,控制模型送进,是控制系统的关键部件。在设计上将比较器、校正放大、反馈量调节和电压-电流变换器等重要部件集成在一起,再加上扰动信号源等构成伺服放大器。其频宽f大于1kHz,零位噪声小于1mA,最大输出电流小于100mA。

2.2 计算机控制系统

　　本系统采用双闭环控制回路,即由伺服放大器、电磁阀、位移传感器等构成模拟量位置环控制回路;由压力传感器、A/D板、计算机、D/A板和伺服放大器等构成数字量压力环控制回路。位置环对试验模型的位置进行精确定位,而压力环则对试验模型的送进位移量进行精确控制。

2.2.1 A/D信号采集板

　　数据采集选用双端输入8路/单端输入16路的14位A/D转换器AD7872。该采集板最高采样速率为50kHz,具有1、2、4、8、16可编程增益控制功能。板上装有DC-DC变换器、光电隔离器、串-并转换电路等,可实现计算机系统与现场信号隔离,保证采集系统工作安全可靠。

2.2.2 D/A信号输出板

　　D/A转换部分由两路独立的12位D/A转换器DAC7545、+5V基准源、运算放大器、精密电阻等组成。板上提供可锁存的电压输出或电流输出(负载共地方式),并采用了光电耦合器件,使模拟信号电路与计算机总线完全隔离,从而避免了公共地线引起的各种干扰及地环流问题。为了确保控制系统不出现误动作,板上设计了电复位清零功能。

2.2.3 定时计数及开关量输入输出

　　定时计数选用一种通用的CMOS化的TTL电平脉冲输入计数/定时板,板上提供2MHz的时钟源,由可编程的高速计数器/定时器芯片82C54提供三路计数/定时通道。该接口板为控制系统提供一系列精确定时基准,可以顺序控制、分时检测控制等,同时还提供了一路计数中断控制。

2.2.4 压力-电压转换器

　　在本系统中,压力环为主控制回路,压力传感器是压力环中最主要的控制信号检测器,直接影响到控制精度。选择时既要保证测量转换精度和响应时间,又要兼顾量程。本系统选用三组压阻型高压固态压力传感器,分布在试验段和弧室等处,实时检测试验段喷管压力和前端电弧加热器弧室压力的变化情况。

　　压力传感器主要技术指标如下：

·量程： 0～4MPa 非线性： ±0.04% FS

·迟滞： ±0.04% FS 重复性： 0.02% FS

·精度： 0.3% FS

其中,FS为满量程。

2.2.5 辅助电路

2.2.5.1 信号放大器

　　系统要求信号放大器具有频响宽、噪声小、反应速度快等特点,并且与A/D信号采集板无缝对接,因此选用Advantech公司的PCLD-5B系列放大器。信号放大器采用模块化设计,每路一个模块,固定放大倍数为100倍。一个接口板最多可插16块放大器模块。接口板提供标准的I/O接口,编码可以任意组合,与A/D板联结非常方便。

2.2.5.2 低通滤波器

　　在测量直流或变化缓慢的信号时,为防止交流信号及高频噪声信号串入A/D板,影响测量采集精度,造成控制系统误动作,在信号放大器前端设计了一个低通滤波器,频点分别设计为30Hz、100Hz、300Hz等,以满足不同测量信号的要求。

2.2.5.3 信号传输及接地处理

　　鉴于电弧加热器工作机理及设备情况,现场工作环境非常严劣,高频强电场、磁场及中频干扰严重,如不采取抗干扰措施,将无法得到所需要的控制精度。本系统采用软、硬件相结合的抗干扰措施抑制干扰信号的影响[1]。在现场信号传输上全部采用屏蔽电缆,其屏蔽层在信号端接地,可有效地避免了外界电磁场信号的感应干扰。信号放大器为全浮空工作方式,现场信号与采集系统不共地,既防止了现场可能出现的高电压通过信号传输线进入采集系统,又极为有效地抑制了传输线上的共模电压。在各种接地线的处理上,数字地与模拟地通过光隔分开,尽可能地避免数字系统中的噪声对模拟信号部分的影响,使D/A输出信号无噪声干扰,保证控制系统稳定可靠。

3 控制系统设计上的几个问题

　　由于本系统应用场合的特殊性,在设计时需对控制压力点的选取、压力环控制的切入和退出时间点的确定、模型送进异常情况的排除等问题给以解决。

3.1 控制算法及其设计

　　PID控制是目前过程控制中应用最广泛的一种控制方法^[2]。本系统根据压力参数变化规律以及电弧加热器的运行机理,采用如下所述的复合式PID控制算法。

　　在试验初始阶段,气流混合室有一个初始压力P₀,随着模型烧蚀的进行,喷管出口喉道发生变化,使气流混合室压力产生变化量ΔP。这时系统输出一个增量信号,通过调整模型位置,使气流混合室压力稳定在控制压力点上。算法如下：

　　其中,T、T_I、T_D分别为采样周期、积分时间常数、微分时间常数;K_P、K_I、K_D分别为比例、积分、微分系数;P_r为压力设定值。

　　在控制系统中,控制精度与控制过程的平稳是一对矛盾。控制精度要求太高,将有可能产生控制动作过于频繁,甚至可能引起系统振荡。为此,人为地设置了一个不灵敏区,采用带死区的PID控制算式,修正增量型PID控制算式。控制器的输出为:

　　式中,B是与控制精度要求有关的常数。

　　因为压力变化是由于试验模型烧蚀等原因产生,正常变化过程比较缓慢,加之控制系统滞后,有可能会产生严重的积分饱和现象,造成很大的超调和长时间的振荡。为克服这一缺点,采用积分分离的PID控制算法,即:

3.2 控制点的切入与退出

　　对控制系统的切入与退出时间一定要明确,并且系统反应必须精确,否则将造成模型送进机构误动作。本系统采用互感器和分流器分别监视电弧加热器主回路的电压和电流,并以此作为控制系统的触发信号。在电弧加热器开车启动时,控制系统被触发。此时压力控制环并不立即切入,而是不断地采集气流混合室的压力变化,当压力上升到工作压力点时,压力控制环才切入。同样,在电弧加热器停车或异常情况造成试验中断时,立即触发控制系统切断控制回路,并控制伺服阀动作,使试验模型停送或后退,避免试验模型因试验压力突然下降而前冲,造成试验段喷管出口堵塞。

3.3 异常情况的处理

3.3.1 试验模型过冲问题

　　在试验模型送进过程中,有可能造成控制系统误动作,使试验模型送进过冲,出现重大事故。为此在油缸前端加装一个溢流阀,限定油压,一旦油压超过预定值立即动作泄压,同时给出信号,系统立即强制伺服阀换向,后退模型。并在伺服阀上加装磁屏蔽层,与信号线屏蔽层相连,防止电弧加热器的强磁场干扰伺服阀工作。在软件上,根据模型烧蚀量计算出最大送进补偿量,并限制单步送进的最大步长。同时,不断采集电弧加热器的弧室压力和气流混合室压力等,对其加入滤波处理,去掉噪声信号,确保数据采集的准确性。

3.3.2 控制系统振荡问题

　　本系统采用压力平衡法控制模型的送进。但如果控制精度要求太高,将有可能出现试验模型频繁调整前后位移,严重时,将使控制系统振荡,进入控制死区。因此,一方面应根据实际情况确定压力控制精度,定义合理的PID控制算法的死区域;另一方面,一旦系统出现振荡,通过系统控制软件可以实时调整控制死区域大小,达到消除振荡的目的。

4 试验结果与分析

　　本系统已投入运行一年多了,承担了多项航天型号的试验任务。试验表明,控制系统工作一切正常,达到设计要求。实际使用时,不仅对模型在烧蚀过程中因外型烧蚀变化导致的试验参数变化进行了实时补偿,而且对其它因素的影响,如电弧加热器电源参数波动、气源压力波动等,也能起到稳定和补偿作用。

　　图2为承担某项航天型号模型试验的模型送进补偿曲线和压力控制曲线。试验段混合室压力控制点为P₀=1.10MPa,控制精度为△P=0.02MPa。从试验曲线我们可以看出,整个送进过程非常平稳,在试验状态建立初期,混合室压力冲得比较高,控制系统强制模型后退;随着模型烧蚀进程,模型逐渐往前送进,保持混合室压力在控制范围内。压力控制非常稳定,模型送进过程也未出现振荡,控制精度满足了试验要求。